第2章 近代科学技术体系的建立

第二章

近代科学技术体系的建立第一节物理学一.电磁现象的研究1821年德国的欧姆发现了欧姆定律。1847年德国的基尔霍夫提出了两个有关电路的基尔霍夫定律。1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流周围有磁场，法国物理学家安培通过实验得安培定律法拉第是对现代电学发现作出贡献的第一流科学家。制成了一种电动机，他所发现的电磁感应定律，成为发电机的理论基础。麦克斯韦引入位移电流的概念，建立了一组微分方程，概括全部电磁现象，把法拉第的思想用数学语言表述出来。从此，电学、磁学、光学融合成一体，物理学完成了第三次伟大的综合。1888年，物理学家赫兹发现了电磁波。还进一步观察到电磁波的反射、折射、干涉和衍射，从而全面证实了麦克斯韦的理论。二、波动光学的胜利19世纪上半叶物理学领域另一个引人瞩目的事件就是光的波动说的复兴。代表人物：托马斯.杨第一个近似测定光的波长菲涅尔衍射、干涉、光振动（横波）1、热力学第一定律是能量守恒的一种形式该定律否定永动机它不断地对外作功而又无需消耗任何形式的能量的机器.三、热力学与能量守恒定律2.热力学第二定律的发现克劳修斯的表述热不可能自发地从较冷的物体转移到较热的物体汤姆逊的表述

从单一热源吸取能量使之完全变成有用的功而不产生其他效应是不可能的。这两种表述是等价的第二类永动机是不可能制造出来

是一种不消耗燃料，直接利用外界热量的机器.也就是说,从高温热源吸收的热量全部用来对外作功,而不必向低温热源放热.第二节化学中原子论的兴起一.道尔顿的科学原子论1803年，英国的化学家、道尔顿提出：化学元素是由非常微小的，不可再分的微粒－原子所组成。创立了科学的原子理论，标志近代化学发展时期的开始，奠定了近代化学和原子物理学的基础二、原子量的测定在从事测定原子量工作的化学家中，瑞典化学家贝采里乌斯(J.B.Berzelius,1779～1848)的工作是最突出的1819年法国科学家杜隆（P·L·Dulong，1785—1838）和培蒂（A·T·Petit，1791—1820）发现的原子热容定律，

1860年在德国卡尔斯鲁厄的国际化学家会议上，坎尼查罗的工作终于使原子——分子论得以确立。三、元素周期律的发现1862年，法国化学家尚古多创建了《螺旋图》1863年，英国化学家奥德林发表了《原子量和元素符号表》，共列出49个元素，并留有9个空位。德国化学家迈尔1864年发表了一张元素周期表。其中区分了主簇和副簇元素，以原子量和原子体积为坐标轴绘了一条曲线。化学家门捷列夫1869年，发现元素周期律，制定了化学元素周期表。元素周期律的发现是无机化学的系统化和大综合。为化学系统发展奠定了坚实的基础。四、有机化学的诞生1824年，年仅24岁的维勒用无机物氰和氨水合成了有机物尿素德国化学家李比希和维勒在多年研究有机化合物的基础上，发展了基团学说英国的化学家弗兰克林1852年提出“原子价”概念

1858年，德国化学家凯库勒和英国化学家库珀等提出价键的概念，并第一次用短划“-”表示“键”1861年俄国化学家布特洛夫发表《论物质的化学结构》正式提出了化学结构。第三节生物学和医学一、进化论的创立1、居维叶的灾变说通过自己的研究工作逐步跨入了地质学领域，研究了巴黎盆地沉积地层。提出了著名的灾变论,他强调地质过程的突变和飞跃。2.赖尔的地质渐变说

指出地壳的变化不是突如其来的灾难性的剧变，而是在漫长历史进程中由于内力（地震、火山）和外力（风、雨、温度变化等）的长期作用而势在必行发生的。３.生物进化论的创立19世纪生物学最突出的成就是细胞理论的提出和达尔文进化论的建立1859年达尔文出版了《物种起源》一书第一次把生物学建立在完全科学的基础上，以全新的生物进化思想，推翻了“神创论”和物种不变的理论。《物种起源》是达尔文进化论的代表作，标志着进化论的正式确立。

二、生物学与医学1.细胞学说的创立英国植物学家布朗最著名的发现是“布朗运动”,发现细胞核.1838年，植物学家施莱登提出细胞是一切植物的基本生命单元。动物学家施旺又将其推广到动物界。德国医学家微耳和将细胞学说的理论成果引入到病理学中，1858年《细胞病理学》一书出版，他以人体病变主要是局部的细胞病变这一思想开创了细胞病理学这一新学科。2.遗传学孟德尔遗传学之父经过长达8年的豌豆杂交试验，发现在生物体内有遗传因子。同时提出了两个遗传定律。分离定律和独立分配定律。魏斯曼是德国杰出的生物学家指出：遗传是有一定化学成分的、首先是具有一定分子性质的物质，从亲代向子代传递实现。魏斯曼的研究，成了现代分子生物学的基础。3.微生物学与现代医学的诞生发酵研究：微生物学的奠基

高压消毒法：现代医学的奠基第四节科学技术与人类生活一、运输机械的革命1.“克勒蒙号”汽船与富尔顿1807年美国发明家富尔顿（1765－1815）制造的木制蒸汽机船。该条船航行于纽约和奥尔巴尼之间，全程150海里，速度较以前的帆船快三分之一。它的成功标志着蒸汽动力船取代帆船时代的到来。1807年克勒蒙特号蒸气船从此英国的海运进入一个新的时代。2.前进的车轮：火车与斯蒂芬森史蒂芬森（1781－1848）是英国铁路机车主要发明家。1814年，他研制出一台蒸汽机车。这台能牵引30多吨货物的机车被用来运煤，时速6.5公里。1825年，他制造出“旅行号”机车，在由他负责设计的一条刚建成的铁路上运行时速为24千米。1826年他制造的蒸汽机车“火箭”号，时速58千米。3.电力机车与内燃机车1879年德国西门子公司，制成了用电力驱动的电力机车。

1924年人们又研制出了可供使用的内燃机车。内燃机车使用柴油机或燃汽轮机。

柴油机4.汽车的心脏——内燃机1869年法国发明家雷诺（1821—1900）制成了第一台实用内燃机，这是一台二冲程、无压缩、电点火煤气机。1876年德国工程师奥托（1832——1891）研制成功了第一台四冲程往复式活塞内燃机。1892年，德国工程师狄塞尔（R．Diese1，1858—1913）.成功地研制出了完全靠压缩点火燃烧的柴油内燃机

5.摩托车与戴姆勒德国发明家戴姆勒（G.Daimler，1834-1900)于1872年设计出四冲程发动机。1883年，他与好友－著名的发明家合作，成功研制出使用汽油的发动机，并于1885年将此发动机安装于木制双轮车上，从而制成了世界上第一辆摩托车。6.汽车之父：本茨1886年卡尔·本茨和戴姆勒以汽油机为动力制成了实用性的汽车，其后英、法、美等国也相继出现，一时形成创造发明的热潮。本茨因此被誉为“汽车之父”。二、电力革命与电气时代1.电动机与发电机德国著名电学工程师西门子（W.Simens,1816—1892年）。1867年，他制造了第一台自馈式的发电机，使发电机的发电量大大提高。

1857年，英国物理学家惠斯通（C.Wheatstone,1802—1875年）用电磁铁代替永磁铁，发明了自激式发电机。2.发电站与远距输电法拉第于1831年发现的自感现象为变压器提供了理论依据。1883年，法国人和英国人制成了第一台实用的变压器。1882年，法国物理学家德波里在德国工厂主的资助下，建成了世界上第一条远距离直流输电线路。到1891年，在德国的法兰克福实验成功了远距离输电。3.电灯：爱迪生1879年10月21日，爱迪生在新泽西州门罗公园实验室用碳化的卷绕棉线作为灯丝，成功地制出世界上第一个电灯泡。他花了近三天时间把灯丝装进真空玻璃泡，通上电源，发出相当于10盏煤气灯的温柔光芒，它延续了约45个小时。他试验过从世界各地找来的1600种耐热材料、6000种植物纤维，才找到合适的灯丝材料。这幅图描绘的就是爱迪生在100多年以前制造的电灯泡形状。4.大众传媒——电信技术的蓬勃兴起贝尔的电话1876年，美国人贝尔向美国专利局提出发明电话的专利申请。

1899马可尼试拍电报1901年，他成功地横越大西洋发报成功。第五节世纪之交的科学革命物理学晴朗天空的两朵“乌云”1887年，美国物理学家迈克尔孙和莫雷为了寻找地球相对于静止的以太运动的“以太风”，进行了著名了以太漂移实验，但实验数据却同经典物理学理论的语言完全相反。物理学界大为震惊。同时，有关气体比热的实验结果与能量均分定理发生了尖锐的矛盾。1900年4月27日英国物理学家凯尔文和汤姆孙在英国皇家学会的演讲中称这两个问题为物理学晴朗天空的两朵乌云以太漂移和黑体辐射现象X射线、放射性、电子等相对论量子力学1.“以太之迷”

十九世纪后期，由于光的波动理论的确立，科学家相信一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间，就象空气中的声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。一、相对论然而，与空间完全充满“以太”的思想相悖的结果不久就出现了：根据“以太”理论应得出，光线传播速度相对于“以太”应是一个定值，因此，如果你沿与光线传播相同的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速低；反之，如果你沿与光线传播相反的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速高。但是，一系列实验都没有找到造成光速差别的证据。2.狭义相对论的建立一、相对论狭义相对论适用于惯性参照系狭义相对论的两条基础原理（1）狭义相对性原理——在所有的惯性系中物理定律的形式相同。各惯性系应该是等价的，不存在特殊的惯性系。即事物在每个惯性系中规律是一样的。（从合理性上说）（2）光速不变原理——在所有的惯性系里，真空中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与频率无关；往返平均光速与方向无关。（该原理由迈克尔逊-莫雷实验引出。）狭义相对论运动学的核心——洛仑兹变换①同时的相对性：②运动的钟变慢：③运动的长度缩短：一、相对论3.狭义相对论的主要结论4.广义相对论的建立一、相对论广义相对论基本原理：广义协变原理等效原理：在1、2、基础上，借助了黎曼几何，爱因斯坦在1916年建立了广义相对论的理论大厦，进一步揭示了时间，空间的根本属性及其物质分布，物质运动之间内在的深刻联系。引力场是物质产生的，引力场以外的一切物质。根据广义相对论观点，“引力”不过是时空弯曲的效应。例：1919年，观察到日全食时候，经过太阳的星光传播方向发生偏转。第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学家和公众。二量子力学1.紫外灾难所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，而实验数据是趋于零，这部分的严重偏离，被称为“紫外灾难”。2.量子理论的提出1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出